Inženýři z Kalifornské univerzity v San Diegu vyvinuli lithium-iontové baterie, které dobře fungují při mrazivých i spalujících horkých teplotách a zároveň obsahují spoustu energie.Výzkumníci dosáhli tohoto úspěchu vývojem elektrolytu, který je nejen všestranný a robustní v širokém teplotním rozsahu, ale také kompatibilní s vysokoenergetickou anodou a katodou.
Teplotně odolné bateriejsou popsány v článku publikovaném v týdnu od 4. července ve Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Takové baterie by mohly umožnit elektrickým vozidlům v chladném klimatu cestovat dále na jedno nabití;mohly by také snížit potřebu chladicích systémů, aby se baterie vozidel nepřehřívaly v horkém klimatu, řekl Zheng Chen, profesor nanoinženýrství na UC San Diego Jacobs School of Engineering a hlavní autor studie.
„Potřebujete vysokoteplotní provoz v oblastech, kde může okolní teplota dosáhnout trojciferných hodnot a silnice se ještě více zahřejí.V elektrických vozidlech jsou baterie obvykle pod podlahou, blízko těchto horkých silnic,“ vysvětlil Chen, který je také členem fakulty Centra udržitelné energie a energie UC San Diego.„Baterie se také zahřívají jen tím, že jim během provozu prochází proud.Pokud baterie toto zahřívání při vysoké teplotě nesnesou, jejich výkon se rychle sníží.“
V testech si baterie proof-of-concept zachovaly 87,5 % a 115,9 % své energetické kapacity při teplotě -40 a 50 C (-40 a 122 F).Měly také vysokou coulombickou účinnost 98,2 % a 98,7 % při těchto teplotách, což znamená, že baterie mohou podstoupit více cyklů nabíjení a vybíjení, než přestanou fungovat.
Baterie, které Chen a kolegové vyvinuli, jsou díky svému elektrolytu odolné vůči chladu i teplu.Vyrábí se z kapalného roztoku dibutyletheru smíchaného s lithiovou solí.Zvláštností dibutyletheru je, že se jeho molekuly slabě vážou na ionty lithia.Jinými slovy, molekuly elektrolytu mohou během provozu baterie snadno uvolnit lithiové ionty.Tato slabá molekulární interakce, jak vědci objevili v předchozí studii, zlepšuje výkon baterie při teplotách pod nulou.Navíc dibutylether může snadno přijímat teplo, protože zůstává kapalný při vysokých teplotách (má bod varu 141 C nebo 286 F).
Stabilizační lithium-síra chemie
Zvláštní na tomto elektrolytu je také to, že je kompatibilní s lithium-sírovou baterií, což je typ dobíjecí baterie, která má anodu vyrobenou z kovového lithia a katodu vyrobenou ze síry.Lithium-sírové baterie jsou nezbytnou součástí technologií baterií nové generace, protože slibují vyšší hustotu energie a nižší náklady.Dokážou uložit až dvakrát více energie na kilogram než dnešní lithium-iontové baterie – to by mohlo zdvojnásobit dojezd elektromobilů, aniž by došlo ke zvýšení hmotnosti baterie.Síra je také hojnější a její zdroj je méně problematický než kobalt používaný v tradičních lithium-iontových bateriových katodách.
S lithium-sírovými bateriemi jsou ale problémy.Katoda i anoda jsou super reaktivní.Sirné katody jsou tak reaktivní, že se během provozu na baterie rozpouštějí.Tento problém se zhoršuje při vysokých teplotách.A lithiové kovové anody jsou náchylné k vytváření jehlovitých struktur nazývaných dendrity, které mohou prorazit části baterie a způsobit její zkrat.Díky tomu vydrží lithium-sírové baterie pouze desítky cyklů.
"Pokud chcete baterii s vysokou hustotou energie, obvykle potřebujete použít velmi drsnou a komplikovanou chemii," řekl Chen.„Vysoká energie znamená více reakcí, což znamená menší stabilitu, větší degradaci.Výroba vysokoenergetické baterie, která je stabilní, je sám o sobě obtížný úkol – pokusit se o to v širokém teplotním rozsahu je ještě náročnější.“
Dibutyletherový elektrolyt vyvinutý týmem UC San Diego těmto problémům předchází, a to i při vysokých a nízkých teplotách.Baterie, které testovali, měly mnohem delší životnost než typická lithium-sírová baterie.„Náš elektrolyt pomáhá zlepšovat katodovou i anodovou stranu a zároveň poskytuje vysokou vodivost a stabilitu na rozhraní,“ řekl Chen.
Tým také zkonstruoval sirnou katodu tak, aby byla stabilnější tím, že ji narouboval na polymer.Tím se zabrání rozpouštění většího množství síry v elektrolytu.
Mezi další kroky patří zvýšení chemického složení baterie, její optimalizace pro práci při ještě vyšších teplotách a další prodloužení životnosti.
Příspěvek: „Kritéria pro výběr rozpouštědel pro lithium-sírové baterie odolné vůči teplotě“.Mezi spoluautory patří Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal a Ping Liu, všichni z UC San Diego.
Tato práce byla podpořena grantem Fakulty rané kariéry z grantového programu NASA pro výzkum vesmírných technologií (ECF 80NSSC18K1512), National Science Foundation prostřednictvím Centra pro výzkum materiálů UC San Diego (MRSEC, grant DMR-2011924) a Office of Technologie vozidel Ministerstva energetiky USA prostřednictvím programu Advanced Battery Materials Research Program (Battery500 Consortium, smlouva DE-EE0007764).Tato práce byla částečně provedena na San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) na UC San Diego, člen National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, který je podporován National Science Foundation (grant ECCS-1542148).
Čas odeslání: 10. srpna 2022